Fisiologia vegetale

Fisiologia vegetale - Esonero 1

La cellula vegetale

I ruoli delle piante sono fondamentali per: come alimento; come regolatrici del clima; per i nostri fabbisogni energetici; come fonte di risorse rinnovabili (si estraggono zuccheri); per guarire; per il nostro equilibrio psichico.

Organismi modello nello studio delle piante

Per lo studio delle piante sono utilizzati organismi modello a ciclo vitale rapido, erbacee che possiedono un genoma già sequenziato come:

• Arabidopsis thaliana: genoma piccolo e facilmente coltivabile, sequenziato nel 2000 (prima pianta ad avere il genoma sequenziato); è una dicotiledone e il ciclo di vita dura 1 mese.
• Brachypodium distachyon: genoma molto piccolo, autofertile.
• Lotus japonicus

Struttura vegetale

Una caratteristica unica dei vegetali è la presenza di una parete cellulare; nelle piante sono impedite le migrazioni cellulari in quanto ogni cellula con parete è cementata a quella adiacente per mezzo della lamella mediana. Le cellule vegetali possiedono due tipi di parete:

• Primaria: sottile (<1μm) e caratterizza le cellule giovani e in accrescimento.
• Secondaria: più spessa, depositata quando le cellule sono già differenziate. La resistenza della parete è dovuta alla presenza di lignina che permette alla pianta di crescere in altezza.

Sia nella parte apicale che in quella radicale troviamo i meristemi, regioni caratterizzate da cellule piccole in continua divisione; li ritroviamo anche a livello della gemma ascellare, che originerà il germoglio (alla base degli steli della foglia).

Nella foglia il tessuto principale è il mesofillo; abbiamo inoltre tessuti vascolari come xilema (trasporta acqua e ioni minerali dalla radice al resto della pianta) e floema (distribuisce i prodotti della fotosintesi e altri soluti a tutta la pianta).

La disposizione dei tessuti vascolari varia a seconda della zona considerata:

• Nel fusto sono disposti nella circonferenza
• Nella radice sono disposti al centro

Troviamo cloroplasti e vacuoli (peculiarità della cellula vegetale) mentre la comunicazione intracellulare avviene grazie ai plasmodesmi.

Membrana plasmatica

Definita anche plasmalemma, permette di assorbire e trattenere o escludere sostanze; è molto sottile (8 nm) ed è caratterizzata da un doppio strato di fosfolipidi, o nel caso dei cloroplasti, glicosilgliceridi nei quali sono incluse le proteine.

• Fosfolipidi: classe di lipidi in cui due acidi grassi (componente idrofobica) sono legati covalentemente al glicerolo, che a sua volta è legato a un gruppo fosfato. Attaccati al fosfato ci sono i “gruppi di testa” come serina, colina, glicerolo o inositolo (componente idrofilica). I fosfolipidi si dispongono a formare un doppio strato che permette alle cellule di essere selettive nel trasportare sostanze.
• Glicosilgliceridi: la testa polare è formata da galattosio, senza la presenza di un gruppo fosfato.

Le catene degli acidi grassi dei fosfolipidi e dei glicosilgliceridi variano in lunghezza; di solito uno degli acidi grassi è saturo (legami singoli), mentre l’altro è insaturo (legami doppi).

Le piante non sono in grado di mantenere la propria temperatura costante, quindi per regolare la fluidità di membrana quando le temperature sono basse e la membrana diminuisce la fluidità, producono quantità maggiori di acidi grassi insaturi (es. acido oleico ha 1 doppio legame, acido linoleico ne ha 2) poiché quest’ultimi si ripiegano nella catena grazie ai doppi legami che aumentano la rotazione delle catene di acidi grassi, prevenendo l’impacchettamento dei fosfolipidi nel bistrato, e quindi aumentando la fluidità.

• Proteine: sono di tre tipi
  • Integrali: attraversano l’intero spessore del doppio strato in modo tale da interagire con l’esterno e con l’interno della cellula; funzionano da canale ionico, mettono in comunicazione l’esterno con l’interno, implicati nella trasduzione del segnale.
  • Periferiche: attaccate alla superficie delle membrane tramite legami non covalenti, come legami idrogeno o ionici, e servono per ancorare il citoscheletro alla membrana citoplasmatica.
  • Ancorate: legate alla superficie della membrana tramite molecole lipidiche alle quali si legano covalentemente.

Nucleo

Regola le principali funzioni metaboliche e contiene l’informazione genica quindi il genoma nucleare. La membrana nucleare presenta pori nucleari per il trasferimento netto di molecole tramite canali selettivi.

Reticolo endoplasmatico

ER: è una rete tridimensionale, le membrane dell’ER sono dei tipici doppi strati lipidici, con proteine integrali e periferiche sparse. Queste membrane formano spesso sacculi appiattiti denominate cisterne. Ci sono due tipi di ER:

• ER rugoso (RER): ricoperto di ribosomi, molto sviluppato nelle cellule secretrici, ha struttura lamellare ed è la sede della sintesi delle proteine di membrana e di esportazione.
• ER liscio (REL): privo di ribosomi, ha forma tubulare ed è la sede della sintesi lipidica e dell’assemblaggio delle componenti della membrana.

Golgi

Sintetizza i biosaccaridi di parete, le emicellulose e le pectine (particolarità delle cellule vegetali), e processa e modifica le glicoproteine; è una pila polarizzata di numerose cisterne raggruppate in CIS, MEDIO e TRANS ognuna delle quali svolge determinate funzioni; è una struttura dinamica chiamata trans Golgi network (TGN):

• CIS: biosintesi dei polisaccaridi complessi della superficie cellulare
• MEDIO: processamento e modificazione di glicoproteine destinate alla superficie cellulare e vacuoli
• TRANS: accetta e modifica membrane dal Reticolo Endoplasmatico e Plasmalemma per endocitosi

La struttura è stabilizzata da proteine che tengono unite le cisterne.

Golgi network, vescicolazione

La biosintesi di sostanze all’interno del Golgi non è chiara; l’ipotesi più accreditata è il modello di maturazione/progressione delle cisterne, in cui i sacculi del Golgi non sono fissi, ma il cis Golgi diventa medio, e questo diventa poi trans; nella fase finale la cisterna diventa una grande vescicola secretoria che si fonde con la membrana plasmatica.

Il percorso vescicolare è mediato dalle proteine SNARE che consegnano membrane dall’ER al Golgi; queste vengono riconosciute da TSNARE a livello del target, cioè l’organo a cui sono destinate le proteine. Il percorso vescicolare avviene nei siti ERES ed è mediato dalle proteine di rivestimento COP:

• COP II: accompagna la formazione delle vescicole e il trasferimento di queste dall’ER al Golgi tramite un trasporto anterogrado.
• COP I: accompagna il trasferimento dal Golgi all’ER tramite un trasporto retrogrado molto importante per reintegrare gli enzimi trasferiti con COP II.
• Clatrina: indispensabile per la formazione di vescicole che originano dalla membrana plasmatica e forse dal trans Golgi dirette o verso i vacuoli per detossificare o per tornare al Golgi per rifornirlo di zone membranose perse per vescicolazioni.

Plasmodesmi

Canali circondati da plasmalemma che mettono in comunicazione il citoplasma di cellule adiacenti.

• Simplasto: sistema continuo di citoplasmi cellulari collegati dai plasmodesmi.
• Apoplasto: sinonimo di parete cellulare.

Morfologia: sono caratterizzati da un foro, l’ANNULO, ed internamente contengono il DESMOTUBULO, centro del plasmodesma; il desmotubulo è una porzione di reticolo endoplasmatico, e le sostanze citoplasmatiche passano affianco ad esso.

Quando si formano i plasmodesmi? Nelle cellule in divisione si forma la piastra cellulare, la futura lamella mediana; questa è una particolarità delle cellule vegetali, che permette di formare le pareti cellulari di nuova sintesi. Quando le due cellule si separano a livello della separazione si formano i plasmodesmi; questi hanno diversa morfologia, e attraverso questi passano cellule di 80-100 Da, anche i VIRUS che depolimerizzano i filamenti: codificano proteine di movimento che formano un tubulo di trasporto all’interno del poro del plasmodesma facilitando la circolazione dei virus stessi (allargano il foro e passano da una cellula all’altra).

Vacuolo

Solo nelle cellule vegetali, circondato da una membrana semipermeabile, il tonoplasto, e contenente un succo vacuolare di composizione variabile, acqua e soluti. Inizialmente sono tanti e di piccole dimensioni poi si fondono in un vacuolo unico ad occupare il 95%.

Funzioni del vacuolo

• Ridurre i costi relativi all’amplificazione della superficie di contatto pianta/ambiente e incremento dell’efficienza della pianta nell’acquisizione dei nutrienti; in questo modo tutto il citoplasma è a contatto con la membrana, senza il vacuolo la parte centrale non sarebbe in contatto con essa e non potrebbe scambiare sostanze e informazioni con l’esterno.
• Funzione osmotica, insieme alla parete cellulare e al citoplasma:
  • Sostegno meccanico (turgore)
  • Generazione della forza motrice
  • Funzionamento degli stomi
  • Movimento di parti della pianta: ad es. il girasole si sposta
• Accumulare ioni e regolazione della loro concentrazione nel citoplasma e nell’apoplasto.
• Accumulare metaboliti con funzione di riserva.
• Accumulare prodotti del metabolismo secondario coinvolti nella difesa della pianta dagli erbivori (funzione deterrente).
• Funzioni litiche.

Ruolo osmotico con citoplasma e parete cellulare

• Sostegno meccanico: il vacuolo insieme alla parete realizza una struttura rigida (la pressione dell’acqua nel vacuolo viene controbilanciata dalla rigidità della parete cellulare) che determina la pressione di turgore responsabile sia della distensione cellulare sia della rigidità di tessuti non lignificati (es. foglie, giovani fusti) i quali quando la pressione di turgore diminuisce avvizziscono. Se la parete non fosse in grado di opporsi al continuo richiamo d’acqua si avrebbe lo scoppio dei protoplasti e se il vacuolo perdesse acqua, determinando l’abbassamento della pressione di turgore, si avrebbe la plasmolisi cellulare -> la cellula si rinsecchisce (si osserva quando la pianta ha poca acqua).
• Forza motrice per la distensione cellulare: la pressione di turgore permette l’espansione cellulare e regola la morfologia fogliare; es. le foglie hanno un comportamento ortotropo grazie al vacuolo che dà sostegno.

Tonoplasto

Membrana semipermeabile lipoproteica bistratificata con spessore di 7-10 nm. Oltre a un doppio strato lipidico caratterizzato in minima parte da fosfolipidi mentre sono predominanti i glicolipidi (es. galattolipidi) presenta proteine intramembrana, pompe protoniche, proteine canali ed enzimi; le proteine importano ioni, trasferiscono acqua, sostanze organiche, protoni verso l’interno.

Accumulo di ioni e regolazione della loro concentrazione nel citoplasma e nell’apoplasto

Il succo vacuolare ha un pH acido, si aggira intorno a pH 5 (più basso rispetto a quello del citoplasma che si aggira intorno a pH 7). Il succo vacuolare mantiene questo pH grazie alle pompe protoniche che attraverso l’idrolisi dell’ATP e del pirofosfato inorganico forniscono protoni al succo vacuolare acidificandolo. Sulla porzione anteriore del vacuolo ci sono gli antiporti (Mg²⁺, Ca²⁺, Cd²⁺) che garantiscono il trasporto di ioni così da mantenere il pH 5 del vacuolo e il pH 7 del citosol. (entrano Ca²⁺, Mg²⁺; escono H⁺).

Accumulo di ioni

Nel vacuolo si accumulano molti ioni inorganici la cui natura e quantità è dovuta al tipo di terreno su cui cresce la pianta. Tutti gli ioni non immediatamente utilizzati vengono immagazzinati nel vacuolo mediante un trasporto attivo mediato da speciali proteine trasportatrici a livello del tonoplasto. Nel vacuolo gli ioni rimangono in forma solubile o sotto forma di cristalli di ossalato di calcio, in modo che il calcio venga reso insolubile e non entri nel metabolismo cellulare quando non serve.

Accumulo di metaboliti con funzione di riserva

Oltre all’acqua, ai sali inorganici (K⁺, Mg²⁺, Cl^-), agli acidi organici (acido citrico, malico), ai carboidrati, agli amminoacidi, ai lipidi e alle proteine. Es. antocianina (metabolita II), 100% nel vacuolo, saccarosio, 50% nel vacuolo. Alcuni enzimi sono specifici del vacuolo e per questo possono essere usati come marcatori molecolari. Nel vacuolo sono conservate anche le sostanze che conferiscono colore.

Funzione di difesa

Compartimentalizzazione per isolare i componenti tossici, che non sono così dannosi per la cellula; se invece questa viene rotta (es. dal predatore), il vacuolo si rompe e libera le sostanze tossiche che hanno un’azione deterrente contro i predatori.

Funzione litica

I vacuoli hanno funzione analoga ai lisosomi delle cellule animali; le sostanze da smaltire arrivano al vacuolo tramite vescicole di esocitosi. La presenza di idrolasi acide (peptidasi, glicosidasi) in piccoli vacuoli litici, fa sì che esso venga considerato il più importante compartimento litico della cellula vegetale, responsabile della digestione delle macromolecole di riserva e del riciclaggio dei componenti molecolari degli organuli. Importante anche nella morte cellulare programmata, in cui gli enzimi vacuolari sono liberati nel citoplasma dove digeriscono il contenuto citoplasmatico stesso; l’apoptosi è importante durante la senescenza (invecchiamento cellulare) e nella formazione delle tracheidi (tubi vuoti in cui passa l’acqua).

Corpi proteici

Vacuoli specializzati nell'accumulo di proteine, con funzione di riserva, delimitati da una singola membrana, sferoidali (1-20 μm). La localizzazione più comune è nei semi. Contengono anche K, Mg, S e tracce di una grande varietà di oligoelementi e si formano dal RE o dal Golgi. Si trovano principalmente nel seme e sono chiamati granuli di aleurone. E sono formati da 3 componenti:

• Globoide: fitina è la principale forma di deposito di fosforo in molti tessuti vegetali.
• Cristalloide: proteine globulari.
• Matrice amorfa: albumine (proteine più solubili).

Corpi oleosi o oleosomi

Durante lo sviluppo del seme in questi organuli vengono accumulati oltre ad amido e proteine grandi quantità di trigliceridi sotto forma di olio, che viene trasformato in zucchero quando è necessaria energia. Si originano dal reticolo endoplasmatico come un’estroflessione; posseggono un solo strato fosfolipidico perché non c’è bisogno di un doppio strato perché all’interno è contenuto olio, che è idrofobico: i fosfolipidi sono orientati con le teste polari verso la fase acquosa e le code lipofile verso il lume, sciolte nei lipidi. Sulla loro superficie troviamo delle proteine, le oleosine, che prevengono la fusione degli oleosomi, in quanto non fanno in modo che questi si ingrandiscano e vadano così ad occupare tutta la superficie citoplasmatica.

Microcorpi con funzione metabolica specializzata

Compartimenti circondati da una sola unità di membrana. Questi sono:

• Perossisomi: organelli sferici (0,2 -1,7 μm) delimitati da una singola membrana che contiene una matrice granulare (o fibrillare); sono capaci di creare perossidi di idrogeno. I perossisomi contengono uno o più enzimi che usano O₂ per rimuovere atomi di idrogeno da specifici substrati organici in una reazione ossidativa che produce H₂O₂: RH₂ + O₂ -> R + H₂O₂. Sono sempre vicini a un mitocondrio e a un cloroplasto perché sono inoltre implicati nella fotorespirazione o ciclo C₂: quel processo metabolico respirativo che le foglie delle piante con ciclo C₃ attuano in presenza di alte concentrazioni di ossigeno (alta temperatura). Al termine del processo la pianta riesce a recuperare il 75% del carbonio che altrimenti andrebbe perso: a temperature alte e quando la concentrazione di O₂ è alta, uno degli enzimi responsabili della fissione della CO₂, invece di fissarla reagisce con l’O₂, in questo modo non si crea energia; la fotorespirazione invece permette di recuperare l’energia che non riesce a sfruttare grazie ai perossisomi.

Ruoli e caratteristiche dei microcorpi

Dipendono dal tessuto in cui si trovano:

• Nelle foglie delle piante C₃ essi giocano un ruolo importante nella fotorespirazione (perossisomi fogliari) (ciclo C₂);
• Nei semi oleosi in germinazione si chiamano gliossisomi
• Nei noduli delle leguminose sono coinvolti nel metabolismo delle sostanze azotate prodotte nella simbiosi (uricosomi)
• Gliossisomi: perossisomi specializzati in cui avviene la degradazione degli acidi grassi durante la germinazione dei semi oleosi; sono vicini agli oleosomi. Sono coinvolti nella gluconeogenesi cioè il processo che mobilizza i lipidi convertendoli prima in acidi grassi ed infine in saccarosio; il saccarosio infatti non può essere prodotto nel seme attraverso la fotosintesi.

Mitocondri

Hanno forma sferico-ellissoide e dimensioni di circa 1 μm. Sono pleiomorfici; il loro numero per cellula varia da centinaia a migliaia, questo dipende dal tipo di cellula, dal metabolismo e dallo stadio di sviluppo. Contengono un loro DNA, il DNA mitocondriale.

Ipotesi endosimbiontica

Le piante e i cianobatteri hanno un antenato in comune poiché entrambi convertono energia luminosa in energia chimica. Sia i mitocondri sia i cloroplasti si dividono autonomamente per scissione binaria.

Plastidi

I precursori sono i proplastidi. Troviamo differenti tipologie in base alla funzione svolta:

• Cloroplasti: plastidi più importanti, forma ovale, per la fotosintesi e sono localizzati nel mesofillo.

Anatomicamente:

• Membrana esterna
• Spazio intermembrana
• Membrana interna con liquido stromale; il compartimento si chiama stroma, e contiene delle strutture membranose, i tilacoidi
• All’interno dei tilacoidi i filamenti si chiamano grana
• I grana sono collegati da lamelle stromatiche
• Nel tilacoide c’è il lume tilacoidale dove si accumulano H⁺, che crea una differenza di concentrazione di H⁺ che porta all’accumulo di ATP nello stroma

Nelle membrane dei grana ci sono enzimi fotosintetici e un pigmento, la clorofilla, che conferisce il colore verde; come i mitocondri contengono il ptDNA in cui è codificato parte del loro materiale genetico.